风力发电机组结构抗震研究

风力发电机组的应用范围越来越广，在地震区也有分布，但世界各国的风电机组设计标准，对抗震设计这一内容规定较少。而传统上，风电机组的力学问题主要涉及机械工程和风工程两个学科，使得风电机组的抗震研究尚未全面展开。因此，风力发电机组的抗震性能值得系统研究。本项目基于国内典型风力机组，通过数值方法和现场试验方法，并结合结构抗震理论，建立实用的风电机组抗震设计方法。研究分为两部分：1. 风电机组在停机状态下的抗震。这种工况下风力机组同高耸结构如烟囱类似，但叶片的质量及刚度分布对结构整体的影响及结构整体的阻尼是以往研究所欠缺的，并且叶片本身的地震动力响应也是需要分析的问题。2. 风电机组在运行状态下的抗震。叶片在旋转状态下产生动力效应，风和地震联合作用下的动力响应，是重点需要解决的问题。

近几年我国风电事业发展迅猛，风力发电技术已经达到较高水平，尤其是钢筒式水平轴风力发电机组，因其具有效率高，容量大等优点而被广泛应用于风资源丰富的地区。在已经运营的风电场中，每年都有单机容量更大的新型钢筒式水平轴风力发电机组出现，大、中型钢筒式水平轴风力发电机组代替以往小型钢筒式水平轴风力发电机组已经成为一种趋势，随之而来的是对其结构安全性的思索。中国的地震带分布较广，许多风电场建设在地震带附近，甚至处于地震带上。当前虽然我国的钢筒式水平轴风力发电技术已经达到较高的水平，但其结构安全性并未受到足够的重视，钢筒式水平轴风力发电机组作为高耸钢结构，结构设计时必须考虑地震作用。本项目依据我国实际地震环境，通过建立有限元整体模型以及简化计算模型，研究了钢管塔架式水平轴风力发电机组的动力学特征和地震反应。..中国是受到地震灾害影响较大的国家，抗震能力不足的建筑结构在地震作用下往往会发生破坏，导致重大损失。本项目通过分析我国风电场与地震带的分布情况，强调考虑地震作用的重要性。..依据现有学术成果，统计了大量风力发电机组的详细参数，通过数据拟合，总结出三种包含不同计算参数的风力发电机组基本自振周期经验公式。在掌握风力发电机组顶部质量、塔架高度的情况下，可快速计算出相对准确的结构基本自振周期。经验公式可用于定性判断结构的刚度是否符合要求，亦可以作为计算地震作用的前期工作，方便地震作用的计算。..通过模态分析，获取风力发电机组各阶频率和模态特征，发现叶片方位角对自振频率并无影响。采用中国标准设计反应谱及人工地震波进行地震作用研究，对比分析两种方法的计算结果，得出弯矩沿塔架和叶片、加速度沿塔架的分布规律，位移特征等。..当前我国风力发电机组的结构抗震标准依旧是个空白。本项目对比国内外现有的风力发电机组行业标准，结合中国建筑抗震标准，对2MW和5MW风力发电机组进行地震作用计算，通过对比计算结果，研究了现有地震作用计算方法对风力发电机组的适用性。..按照建筑的方法建立风力发电机组单自由度和两自由度计算模型，采用底部剪力法进行塔架弯矩和剪力的计算，并分析两种模型地震作用的计算误差，指出按照单自由度和两自由度简化模型进行地震作用计算时，结果具有较高的准确性，能满足工程需要。